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Perfectionnements apportés à la fabrication de pièces en fonte de fer
Les fontes de fer peuvent être divisées en deux types, à . savoir les fontes blanches et les fontes grises. Dans les fontes blanches, tout le carbone se trouve sous la forme combinée, à l'état de carbure de fer (Fe3C), appelé parfois cémentite. Dans les fontes grises, la composition métallique peut contenir une certaine quantité de carbone combiné, mais la plupart du carbone existe à l'état libre, comme graphite.
Lorsque la teneur en car- bone combiné de la fonte grise dépasse environ 0,7% - 1,3% (selon
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sa composition, la grandeur de la section, etc.) une certaine quantité du graphite est remplacée par du carbone a l'état combi- né, visible sous le microscope comme des étendues de carbure de fer. Une telle fonte est dite truitée, à cause des taches blan- ches dans la cassure grise de la matière.
En général, les fontes grises sont plus douces que des fontes truitées, lesquelles sont, à leur tour, plus douées que les fontes blanches. Les fontes truitées sont utiles pour cer- tains usages commerciaux, spécialement lorsque la matière doit présenter une bonne résistance à l'usure et à l'abrasion, ainsi qu'une certaine résistance aux chocs et une certaine facilité d'usinage. La production de fontes truitées est difficile à réaliser dans la fonderie, puisque de faibles modifications de la composition ou des conditions de coulée peuvent provoquer la solidification de la fonte sous la forme d'une fonte entièrement blanche ou entièrement grise.
Par ailleurs, dans le cas de piè- ces coulées comportant des sections de grandeurs différentes, les sections minces seront blanches et les sections épaisses seront grises, tandis que seules les sections moyennes seront truitées.
Une autre difficulté résulte du fait que, dans une section déter- minée, l'intensité du truitage variera du bord vers le centre, où il devient moins prononcé.
La présente invention a pour objet de permettre l'obtention d'une structure truitée uniformément dans toute l'étendue d'une section donnée, ainsi que dans différentes sections de la même pièce coulée, sans devoir recourir au traitement thermique de la pièce. Dans ce but, l'invention prévoit l'addition simultanée au métal fondu, avant la coulée, d'un agent de stabilisation du carbure, constitué par un alliage contenant du bore, et d'un agent de graphitisation. Par "agent de graphitisation'', il faut enten- dre une addition tendant à rendre la fonte grise. Une telle addition peut être constituée de ferrosilicium ou de métal sili- ceux, ou tout autre alliage contenant une forte proportion de
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silicium, ou d'aluminium, ou de graphite, ou de carbure de sili- cium, ou toute combinaison appropriée de ceux-ci.
Comme addition de stabilisation du carbure, il est fait usage d'un composé ou d'un alliage contenant du bore. Il a été constaté que de bonnes additions contenant du bore sont le carbure de bore (BC),. le ferro-bore commercial, l'alliage bore-manganèse, l'alliage cui- vre-bore, l'alliage nickel-bore, le borax ou le trioxyde de bore.
Pour ce qui concerne l'addition graphitisante, les meilleurs résultats ont été obtenus avec le ferro-silicium ou l'aluminium.
Ces additions donnent des structures à caractéristiques différen- tes, qui seront décrites ci-après. Pour l'addition du bore, les meilleurs résultats sont obtenus avec le carbure de bore (BC), le ferro-bore, boro-manganèse, cupro-bore et nickel-bore. En utilisant deux-ci, il est possible de faire une addition contrô- lée de bore au fer, avec la certitude de sa dissolution. Des additions de borax et/ou de trioxyde de bore au métal fondu per- mettront la dissolution du bore dans le fer, mais le processus est difficile à contrôler.
Dans le cas de ferro-silicium, graphite, ferro-bore, boro- manganèse, cupro-bore, et nickel-bore, la matière additionnée doit se trouver à l'état de poudre. Lorsqu'on utilise une addi- tion d'aluminium, celui-ci peut se trouver à l'état de morceaux ou de copeaux. On peut employer du ferro-silicium à toutes pro- portions d'alliage, mais celui contenant 70-80% de silicium est employé de préférence. La présence d'aluminium, de zirconium et de titane dans le ferro-silicium n'est en aucune façon préjudicia- ble et cette présence renforcera même l'action graphitisante de l'addition.
L'addition est préparée en mélangeant des quantités appro- priées de l'addition graphitisante et de l'addition contenant du bore ; les proportions relatives et la quantité totale des deux additions'dépendant de la composition de la fonte et de la grandeur
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de la section des pièces à couler. Pour la facilité de manuten- tion, les deux additions peuvent être mélangées et liées entre elles à l'aide de verre soluble, la manière de procéder consistant à mélanger à l'addition finement moulue avec une quantité juste suffisante de verre soluble pour permettre le moulage de la matiè- re en forme de briquette. Cette briquette peut alors être séchée dans l'air à. la température arnbiante, ou à n'importe quelle tém- pérature ne dépassant pas 2000 C.
Si des additions du composé ou alliage contenant du bore sont faites simultanément avec une addition de ferro-silicium ou d'un alliage contenant du silicium, on produit un réseau unifor- mément réparti et finement disséminé de carbure de fer. Ce type de truitage est utile pour la production de pièces mécaniques coulées qui doivent posséder une meilleure résistance à l'usure, ainsi qu'une certaine facilité d'usinage, telles que'des pièces pour des paliers.
Dans un exemple, à une fonte ayant, avant le traitement, la composition suivante (en plus du fer),
EMI4.1
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 3,08%
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,98%
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,50%
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,043%
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,031%
<tb>
on a ajouté suffisamment de ferro-silicium (contenant 78% de silicium) pour produire une augmentation de 0,5 % du silicium dans le métal final, et suffisamment de carbure de bore pour don- ner une teneur en bore de 0,1 %. Ces additions ont eu pour effet de donner, dans.une barre coulée ayant un diamètre d'environ 1 pouce, une structure uniformément truitée sur toute l'étendue de la section transversale de la barre.
En l'absence des dites additions, la section transversale montrait que la fonte grise prédominait dans le centre de la barre, tandis que la fonte
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blanche prédominait près de la surface.
Dans un autre exemple, à une fonte ayant, avant le traite- ment, la'composition suivante, en plus du fer,
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<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 3,15%
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 1,5%
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,62%
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,029%
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,029%
<tb>
on a ajouté suffisamment de ferro-silicium (78% de silicium) pour augnenter de 0,5 % la teneur en silicium du métal, et suffisamment de carbure de bore pour donner une teneur en bore de 0,2 %. Dans une barre d'environ 1 pouce de diamètre, coulée en métal non trai- té, il n'y avait pas de carbure visible dans la section transver- sale, mais dans une barre de la même dimension,, coulée en métal traité comme indiqué, la section transversale montrait du carbure à l'état uniformément réparti dans la section.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un truitage finement dispersé dans toutes les dimensions de section transver- sale et. ce pour des compositions variant dans de larges limites.
Ainsi par exemple, une fonte traitée avec 0,5 % de silicium sous la forme de ferro-silicium à 80 %, et avec 0,2% de bore sous la forme de carbure de bore, laquelle fonte avait, en plus du fer, la composition suivante,
EMI5.2
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 2,95%
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 1,92%
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,58%
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,03%
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,03%
<tb>
montrait un truitage uniformément réparti dans une section trans- versale de 3 pouces de diamètre.
La présénce de phosphore n'influence pas l'efficacité du. traitement, mais les proportions relatives de l'addition graphiti-
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sante et de l'addition stabilisant le carbure doivent être va- riées en fonction de la composition de la fonte. Des fontes conte- nant une proportion relativement plus élevée d'éléments graphiti- sants, tels que carbone, silicium, nickel ou cuivre, demanaeront des ajoutes relativement plus faibles de l'addition graphitisante et des ajoutes relativement plus grandes de l'addition contenant du bore.
Des fontes contenant de faibles quantités des éléments graphitisants et/ou contenant des éléments additionnels de sta- bilisation du carbure, tels que soufre, chrome, molybdène et vana- dium, demanderont relativement plus de l'agent graphitisant et relativement moins de l'addition contenant du bore.
Les microstructures de fontes traitées simultanément avec une addition de ferro-silicium (ou une ajoute d'un alliage simi- laire) et avec une addition contenant du bore, montrent une dis- tribution irrégulière de paillettes de graphite dans une structu- re de perlite, avec des surfaces uniformément réparties ae carbu- res de fer, pour des compositions normales de fonte grise.
Des fontes présentant le truitage finement dispersé décrit ci-dessus, conviennent spécialement pour des pièces coulées devant posséder une certaine facilité d'usinage. Dans beaucoup de cas, toutefois, cette condition n'est pas importante et l'on recherche plutôt une fonte truitée tenace et résistant à l'abrasion. Afin d'atteindre ce but, on utilise une addition combinée d'un alliage contenant du bore et d'aluminium, pour la production d'un fort truitage à propriétés uniformes sur toute l'étendue de la section.
Ainsi par exemple, une fonte ayant, avant traitement, la com- position suivante, en plus du fer,
EMI6.1
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 3,27%
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 1,47%
<tb>
<tb> Ianganè <SEP> se <SEP> 0,78%
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,025%
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,39%
<tb>
a été traitée par l'addition simultanée de suffisamment de
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ferrobore pour donner une teneur en bore de 0,2%, et de 0,15% d'aluminium en forme de copeaux. La fonte ainsi obtenue présen- tait une section fortement et uniformément truitée, et était utile pour la production de pièces coulées possédant une bonne résistanceà à l'abrasion, combinée avec de la ténacité, tel qu'il conviendrait, par exemple, pour la fabrication de bacs à polir, racloirs et par- ties de concasseurs.
Les additions combinées d'agents graphitisants et d'un al- liage contenant du bore, conformément à la présente invention, doivent être ajoutées au métal en fusion, à un moment quelconque avant la coulée. Cela se ferait au mieux lorsque le métal se trouve dans la poche de 'coulée, bien que,' si le métal est main- tenu dans un four à réservoir, tel qu'un four électrique ou un four rotatif, l'addition puisse être faite avant le soutirage dans la poche. Les additions ne doivent pas être faites à, la charge, si le métal est fondu au cubilot.
Grâce à la présente invention, la production d'une fonte uniformément truitée peut être obtenue sans l'application d'un traitement thermique subséquent, et dans la plupart des cas sans aucune altération de la composition chimique fondamentale de la matière. De plus, la production de fonte truitée selon l'in- vention ne gêne pas l'utilisation ou l'addition simultanée d'au- tres éléments d'alliage qui peuvent être nécessaires pour donner d'autres propriétés spéciales aux pièces coulées. Elle n'exerce pas non plus une influence défavorable sur la fluidité et les propriétés générales de fonderie de la fonte, et un métal traité comme décrit ci-dessus peut être manipulé et déversé en appliquant les mêmes méthodes que celles utilisées pour la fabrication de pièces coulées ordinaires en fonte grise.
.REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Improvements in the manufacture of cast iron parts
Iron castings can be divided into two types, to. know white and gray fonts. In white cast irons, all of the carbon is in the combined form, as iron carbide (Fe3C), sometimes called cementite. In gray cast irons, the metallic composition may contain some amount of combined carbon, but most of the carbon exists in the free state, such as graphite.
When the combined carbon content of gray iron exceeds approximately 0.7% - 1.3% (according to
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its composition, the size of the cross-section, etc.) a certain quantity of the graphite is replaced by carbon in the combined state, visible under the microscope as stretches of iron carbide. Such a cast is called truit, because of the white spots in the gray break of the material.
In general, gray fonts are smoother than truite fonts, which in turn are smarter than white fonts. Truitated cast irons are useful for certain commercial uses, especially where the material is required to exhibit good wear and abrasion resistance, as well as impact resistance and ease of machining. The production of truitated cast irons is difficult to achieve in the foundry, since small changes in composition or casting conditions can cause the cast iron to solidify as an all white or all gray cast iron.
Furthermore, in the case of castings comprising sections of different sizes, the thin sections will be white and the thick sections will be gray, while only the medium sections will be truid.
Another difficulty arises from the fact that, in a given section, the intensity of the trout will vary from the edge towards the center, where it becomes less pronounced.
The object of the present invention is to make it possible to obtain a structure trouted uniformly over the entire extent of a given section, as well as in different sections of the same casting, without having to resort to heat treatment of the part. For this purpose, the invention provides for the simultaneous addition to the molten metal, before casting, of a stabilizing agent for the carbide, consisting of an alloy containing boron, and of a graphitizing agent. By "graphitizing agent" is meant an addition which tends to make the cast iron gray. Such an addition may consist of ferrosilicon or of silica metal, or any other alloy containing a high proportion of
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silicon, or aluminum, or graphite, or silicon carbide, or any suitable combination thereof.
As a stabilizing addition to the carbide, use is made of a compound or alloy containing boron. Good boron containing additions have been found to be boron carbide (BC) ,. commercial ferro-boron, boron-manganese alloy, copper-boron alloy, nickel-boron alloy, borax or boron trioxide.
As regards the graphitizing addition, the best results have been obtained with ferro-silicon or aluminum.
These additions give structures with different characteristics, which will be described below. For the addition of boron, the best results are obtained with boron carbide (BC), ferro-boron, boro-manganese, cupro-boron and nickel-boron. Using two of these, it is possible to make a controlled addition of boron to iron, with the certainty of its dissolution. Additions of borax and / or boron trioxide to the molten metal will allow the boron to dissolve in the iron, but the process is difficult to control.
In the case of ferro-silicon, graphite, ferro-boron, boromanganese, cupro-boron, and nickel-boron, the added material must be in the powder state. When an aluminum addition is used, it may be in the form of lumps or shavings. Ferro-silicon can be used in all alloy proportions, but that containing 70-80% silicon is preferably used. The presence of aluminum, zirconium and titanium in the ferro-silicon is in no way detrimental and this presence will even reinforce the graphitizing action of the addition.
The addition is prepared by mixing appropriate amounts of the graphitizing addition and the boron-containing addition; the relative proportions and the total quantity of the two additions depending on the composition of the cast iron and the size
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of the castings section. For ease of handling, the two additions can be mixed and bonded together using water glass, the procedure being to mix the finely ground addition with just sufficient quantity of water glass to allow the preparation. molding the material into a briquette shape. This briquette can then be air dried. room temperature, or any temperature not exceeding 2000 C.
If additions of the boron-containing compound or alloy are made simultaneously with an addition of ferro-silicon or a silicon-containing alloy, a uniformly distributed and finely disseminated network of iron carbide is produced. This type of trimming is useful for the production of cast mechanical parts which need to have better wear resistance, as well as some ease of machining, such as parts for bearings.
In one example, to a cast iron having, before treatment, the following composition (in addition to iron),
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<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 3.08%
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 0.98%
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.50%
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> 0.043%
<tb>
<tb> Phosphorus <SEP> 0.031%
<tb>
enough ferro-silicon (containing 78% silicon) was added to produce a 0.5% increase in silicon in the final metal, and enough boron carbide to give a boron content of 0.1% . These additions have resulted in a cast bar having a diameter of about 1 inch a uniformly patterned structure throughout the extent of the cross section of the bar.
In the absence of said additions, the cross section showed that gray cast iron predominated in the center of the bar, while cast iron
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white predominated near the surface.
In another example, to a cast iron having, before processing, the following composition, in addition to iron,
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<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 3.15%
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 1.5%
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.62%
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> 0.029%
<tb>
<tb> Phosphorus <SEP> 0.029%
<tb>
enough ferro-silicon (78% silicon) was added to increase the silicon content of the metal by 0.5%, and enough boron carbide to give a boron content of 0.2%. In a bar about 1 inch in diameter, cast of untreated metal, there was no visible carbide in the cross-section, but in a bar of the same size, cast of treated metal as shown, the cross section showed carbide in a state evenly distributed throughout the section.
The process according to the invention makes it possible to obtain a finely dispersed truitage in all dimensions of cross-section and. this for compositions varying within wide limits.
So for example, a cast iron treated with 0.5% silicon in the form of 80% ferro-silicon, and with 0.2% boron in the form of boron carbide, which cast iron had, in addition to iron, the following composition,
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<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 2.95%
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 1.92%
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.58%
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> 0.03%
<tb>
<tb> Phosphorus <SEP> 0.03%
<tb>
showed evenly distributed trout across a 3 inch diameter cross section.
The presence of phosphorus does not influence the effectiveness of. treatment, but the relative proportions of the graphiti-
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The health and the stabilizing addition to the carbide must be varied depending on the composition of the cast iron. Cast irons containing a relatively higher proportion of graphitizing elements, such as carbon, silicon, nickel or copper, will require relatively smaller additions of the graphitizing addition and relatively larger additions of the addition containing carbon. boron.
Cast irons containing small amounts of the graphitizing elements and / or containing additional carbide stabilizing elements, such as sulfur, chromium, molybdenum and vanadium, will require relatively more of the graphitizing agent and relatively less of the addition. containing boron.
The microstructures of cast irons treated simultaneously with an addition of ferro-silicon (or an addition of a similar alloy) and with an addition containing boron, show an irregular distribution of graphite flakes in a pearlite structure. , with evenly distributed surfaces of iron carbons, for normal compositions of gray iron.
Cast irons exhibiting the finely dispersed truitage described above are especially suitable for castings requiring ease of machining. In many cases, however, this condition is unimportant, and a tough, abrasion resistant, truit-coated cast iron is preferred. In order to achieve this aim, a combined addition of an alloy containing boron and aluminum is used to produce a strong truitage with uniform properties over the entire extent of the section.
Thus for example, a cast iron having, before treatment, the following composition, in addition to iron,
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<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 3.27%
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 1.47%
<tb>
<tb> Ianganè <SEP> se <SEP> 0.78%
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> 0.025%
<tb>
<tb> Phosphorus <SEP> 0.39%
<tb>
was treated by the simultaneous addition of sufficient
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ferroboron to give a boron content of 0.2%, and 0.15% aluminum in the form of chips. The cast iron thus obtained exhibited a strongly and uniformly trout cross section, and was useful for the production of castings possessing good abrasion resistance, combined with toughness, such as would be suitable, for example, for the manufacture. polishing tanks, scrapers and parts of crushers.
The combined additions of graphitizing agents and a boron-containing alloy, in accordance with the present invention, must be added to the molten metal at any time prior to casting. This would best be done when the metal is in the 'ladle, although,' if the metal is kept in a tank furnace, such as an electric furnace or rotary kiln, the addition could be. made before racking in the pocket. Additions do not have to be made at the charge if the metal is melted in the cupola.
By means of the present invention, the production of a uniformly patterned cast iron can be achieved without the application of a subsequent heat treatment, and in most cases without any alteration of the basic chemical composition of the material. In addition, the production of trout iron according to the invention does not interfere with the simultaneous use or addition of other alloying elements which may be necessary to impart other special properties to the castings. It also does not adversely affect the fluidity and general foundry properties of the cast iron, and a metal treated as described above can be handled and discharged using the same methods as those used for making parts. ordinary castings in gray iron.
CLAIMS.
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